NORMAN WEl.LS EXPANSION PROJECT
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NORMAN WELLS E X P A N S I O N PROJECT MAN-MADE I S L A N D S IN M A C K E N Z I E R I V E R Ë v a l u a t i o n o f H y d r a u l i c D e s i g n V o ) . I : M a i n R e p o r t j L I S T OF CONTENTS Pagé PREFACE
SUMMARY AND C O N C L U S I V E REMARKS
1 . I N T R O D U C T I O N 1 . 1 . P r o j e c t b a c k g r o u n d ^ . . 1 1 . 2 . D e s i g n o f t h e man-made i s l a n d s 2 , 1,2.1. I s l a n d l o c a t i o n s 3 1.2.2. D e s i g n c r i t e r i a 3 1.2.3. D e v e l o p m e n t f r o m p r e l i m i n a r y t o f i n a l d e s i g n . . ^ 1 . 3 . Terms o f r e f e r e n c e and s c o p e o f p r e s e n t r e p o r t . . . . 6 2 . R E G I M E C H A R A C T E R I S T I C S OF THE M A C K E N Z I E R I V E R 2 . 1 . G e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s a l 1 - t h e - y e a r - r o u n d 8 2 . 2 . M o r p h o l o g y M a c k e n z i e R i v e r n e a r Norman W e l l s 10 ' 2.2.1 Channel n e t w o r k 10 2.2.2. H i s t o r i c a l c h a n g e s i n c h a n n e l t o p o g r a p h y . . . . 10 2.2.3. L o n g i t u d i n a l p r o f i l e 11 i
NORMAN WELLS E X P A N S I O N PROJECT MAN-MADE I S L A N D S IN M A C K E N Z I E R I V E R E v a l u a t i o n o f H y d r a u l i c D e s i g n V o l . I : Ma i n R e p o r t L I S T OF CONTENTS ( c o n t i n u e d ) Page 4.2.3. I n s t a n t a n e o u s r e l e a s e o f r i v e r - i c e j a m , I n i t i a t e d by t h e u p s t r e a m man-made i s l a n d s ; r e t u r n p e r i o d T r - 50 y e a r s 53 4.2.4. I n s t a n t a n e o u s r e l e a s e o f r i v e r - i c e j a m , i n i t i a t e d by t h e u p s t r e a m man-made i s l a n d s ; r e t u r n p e r i o d T r ~ 500 y e a r s 5^ 4 . 3 . The d e t a i l e d model 55 5 . E V A L U A T I O N OF THE H Y D R A U L I C IMPACT 5 . 1 . P r e d i c t i o n o f r i p - r a p damage o f t o p l a y e r 57 5 . 2 . L o c a l r i v e r - b e d s c o u r a r o u n d t h e man-made i s l a n d s . . . 6 l 5.2.1. L o c a l s c o u r c a u s e d by a t h r e e - d i m e n s i o n a l f l o w p a t t e r n . . , 61 5.2.2. P r e d i c t i o n o f l o c a l s c o u r i n c o h e s i o n l e s s s e d i m e n t s 63 5.2.3. E r o d i b i l i t y o f c o h e s i v e s e d i m e n t s 69 5.2.4. C a l c u l a t i o n o f l o c a l s c o u r i n t h e v i c i n i t y o f man-made i s l a n d s 72
NORMAN WELLS E X P A N S I O N P R O J E C T MAN-MADE I S L A N D S IN M A C K E N Z I E R I V E R E v a l u a t i o n o f H y d r a u l i c D e s i g n V o l . I : M a i n R e p o r t L I S T OF CONTENTS ( c o n t i n u e d ) REFERENCES Page 76 APPEND I C E S APPENDIX 1 : Gauge d a t a M a c k e n z i e R i v e r APPENDIX 2 : S t r a t i g r a p h y a t t h e m a n - m a d e ' i s l a n d s
APPENDIX 3 : Maximum d a i l y e l e v a t i o n s and d a i l y d i s c h a r g e s a t Norman Wei 1s APPENDIX h : B r a n c h a n d n o d a l c o e f f i c i e n t s 1-D r i v e r s c h e m a t i s a t i o n APPENDIX 5 : D e t e r m i n a t i o n o f t h e c o m p o s i t e r o u g h n e s s c o e f f i c i e n t ADDENDA ADDENDUM A ADDENDUM B ADDENDUM C ADDENDUM D N o t e s r e g a r d i n g r o u g h n e s s and v e l o c i t y p r o f i l e o f o p e n and i c e - c o v e r e d c h a n n e l s A . l - A . 6 N o t e s r e g a r d i n g s t a b i l i t y o f f l o a t i n g i c e j a m s B. I - B.7 C a l c u l a t i o n o f b a c k w a t e r c u r v e s o f f l o a t i n g i c e j a m s f o r t w o t y p e s o f i d e a l i s e d c h a n n e l s e c t i o n s C. I - C.9 D i s c u s s i o n o f m e t h o d s f o r q u a n t i f y i n g r i p - r a p damage D. I - D . 5
SUMMARY AND C O N C L U S I V E REMARKS The i t e m s d e a l t w i t h i n t h i s r e p o r t as w e l l as t h e p r o j e c t b a c k g r o u n d a r e r e v i e w e d b e l o w , a c c o m p a n i e d v/hen n e c e s s a r y by o b s e r v a t i o n s .
Project setting
Esso R e s o u r c e s Canada L i m i t e d p r o p o s e s t o e x p a n d t h e r e c o v e r y o f t h e o i l f i e l d a t Norman W e l l s , N.W.T. T h i s s e c o n d a r y r e c o v e r y scheme i s r e f e r r e d t o as t h e Norman W e l l s E x p a n s i o n P r o j e c t . Norman V / e l l s i s s i t u a t e d on t h e n o r t h bank o f t h e M a c k e n z i e R i v e r , 1^5 km s o u t h o f t h e A r c t i c C i r c l e .The use o f a p o o l - w i d e w a t e r f l o o d s y s t e m f o r s e c o n d a r y r e c o v e r y and t h e f e a t u r e s o f t h e o i l - b e a r i n g s t r u c t u r e r e q u i r e s i x man-made p l a t f o r m s t o p r o v i d e v e r t i c a l a c c e s s t o t h e p o r t i o n o f t h e o i l p o o l t h a t l i e s b e n e a t h t h e M a c k e n z i e R i v e r ( 6 0 ^ ) . W i t h a v i e w t o t h e e c o n o m i c v i a b i l i t y o f t h e s e c o n d a r y r e c o v e r y p r o j e c t , man-made i s l a n d s - h y d r a u l i c a l l y f i l l e d - r e p r e s e n t t h e l e a s t r i s k o f m a s s i v e f a i l u r e i n c o n n e c t i o n w i t h t h e e n v i r o n m e n t a l l o a d s t o be e x p e c t e d .
Man-made island oonoept
As t h e man-made i s l a n d s p r e d o m i n a n t l y d e t e r m i n e t h e e c o n o m i c f e a s i b i l i t y o f t h e e x p a n s i o n p r o j e c t , t h e i r d e s i g n has been k e p t c o n s e r v a t i v e , r e f l e c t i n g a t r i e d and t r u e c o n s t r u c t i o n c o n c e p t , a p p l i e d u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s . The d e s i g n c r i t e r i a w e r e e s t a b l i s h e d by Esso R e s o u r c e s Canada L t d . i n c o - o p e r a t i o n w i t h H y d r o n a m i c . The ' f i n a l ' d e s i g n r e s u l t e d f r o m s e v e r a l a d d i t i o n a l s t u d i e s and c o m p u t a t i o n s .
Scope of present report
T h i s r e p o r t e m b r a c e s t h e r e s u l t s o f t h e a b o v e - m e n t i o n e d s t u d i e s a n d c o m p u t a t i o n s i n h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g f o c u s s i n g o n : - t h e c o m p u t a t i o n o f s u r g e v e l o c i t i e s d u r i n g t h e r e l e a s e o f s e v e r e r i v e r - i c e j a m s . - t h e c o m p u t a t i o n o f t h e d e g r e e o f damage t o t h e r i p - r a p s l o p e p r o t e c t i o n . - t h e p r e d i c t i o n o f t h e d e v e l o p m e n t o f l o c a l s c o u r i n t h e r i v e r bed a d j a c e n t t o t h e r i p - r a p a p r o n .Regime characteristics of the Mackenzie River in the vicinity of Norman Welts
C h a p t e r 2 d e s c r i b e s t h e y e a r - r o u n d r i v e r r e g i m e , i c e b r e a k - u p p h e n o m e n a , h i s t o r i c a l c h a n g e s i n p l a n f o r m , l o n g i t u d i n a l p r o f i l e and g e o t e c h n i c a l p r o p e r t i e s , as r e v e a l e d by v a r i o u s c o n s u l t a n t s r e p o r t s . In o r d e r t o p r e d i c t t h e s e v e r e f l o o d i n g a s s o c i a t e d w i t h an a c c e p t a b l e r i s k o f o c c u r r e n c e o f S% t o 1 0 ^ d u r i n g t h e l i f e t i m e o f t h e man-made i s l a n d s , t h e a v a i l a b l e d a t a r e g a r d i n g w a t e r e l e v a t i o n and d i s c h a r g e have been a n a l y s e d by means o f an i n - h o u s e Gumbel p r o g r a m f o r e x t r e m e v a l u e d i s t r i b u t i o n .
D i s t i n c t i o n has been made b e t w e e n p r e - r e l e a s e f l o o d s ( M a y ) , p r e - r e l e a s e w a t e r e l e v a t i o n s ( M a y ) , r e l e a s e f l o o d s (May) and summer f l o o d s ( J u n e - J u l y ) .
Due t o t h e s m a l l and s t a t i s t i c a l l y n o n - h o m o g e n e o u s p o p u l a t i o n o f d a i l y maxima o v e r 1 9 6 3 - 1 9 7 8 , e v e n t s w i t h a l o w p r o b a b i l i t y o f o c c u r r e n c e e x h i b i t r e l a t i v e l y l a r g e s t a n d a r d d e v i a t i o n s . The s u m m a r i s e d r e s u l t s o f t h e Gumbel a n a l y s i s a p p l i e d t o t h e a v a i l a b l e d a i l y d a t a , m e a s u r e d o r e s t i m a t e d a t t h e g a u g i n g s t a t i o n o f Norman Wei 1 s , a r e : R e t u r n p e r i o d 5 50 500 Y e a r s P r e - r e l e a s e d i s c h a r g e 1 8 , 9 0 0 2 6 , 0 0 0 3 4 , 0 0 0
u?/s
R e l e a s e d i s c h a r g e 2 8 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 5 2 , 0 0 0 m ^ / s Summer d i s c h a r g e 2 5 , 0 0 0 3 2 , 0 0 0 3 8 , 0 0 0 m V s P r e - r e l e a s e e l e v a t i o n 5 1 . 1 5 2 . 5 5 3 . 8 m + C . D .H i .
Mathematical modeling of river-ice jams
In c h a p t e r 3 v a r i o u s p u b l i s h e d m o d e l s r e l a t i n g t o t h e s t e a d y s t a b i l i t y o f t h e r i v e r - i c e j a m h a v e been r e v i e w e d i n o r d e r t o a s s e s s t h e i r a p p l i c a b i l i t y t o a 1 - d i m e n s i o n a l n o n - s t e a d y f l o w model f o r s i m u l a t i o n o f r i v e r - i c e j a m s , e s p e c i a l l y t h e r e l e a s e o f t h e h y d r a u l i c e q u i l i b r i u m s t a t e . The s t e a d y , o p e n as w e l l as i c e - c o v e r e d , f l o w and t h e r e l e a s e o f t h e r i v e r - i c e j a m h a v e been s i m u l a t e d n u m e r i c a l l y w i t h t h e a i d o f t h e i n - h o u s e c o m p u t e r p r o g r a m EXPLICIT f o r 1 - d i m e n s i o n a l n o n - s t e a d y h o r i z o n t a l f l o w . The M a c k e n z i e R i v e r b e t w e e n G a u d e t I s l a n d a n d P a t r i c i a I s l a n d u p s t r e a m and d o w n s t r e a m o f Norman W e l l s , r e s p e c t i v e l y -has been s c h e m a t i s e d t o a b r a n c h e d n e t w o r k , i n c l u d i n g b i f u r c a t i o n s and c o n f l u e n c e s . The c o r r e s p o n d e n c e b e t w e e n t h e c a l c u l a t e d and t h e
m e a s u r e d s t e a d y open and i c e - c o v e r e d f l o w s t a t e s i s e x t r e m e l y g o o d . The u n r a v e l i n g o f t h e o b s t r u c t e d i c e c o v e r may be s i m u l a t e d by means o f an o p t i o n a l r e l e a s e m e c h a n i s m , v i z . s t e p w i s e o r i n s t a n t a n e o u s r e l e a s e . The s i m u l a t i o n o f s e v e r e r i v e r - i c e j a m s i n c l u d e s 5 r u n s , v i z . : Run n o . : R e t u r n p e r i o d : Jam i n i t i a t e d a t : R e l e a s e m e c h a n i s m : I D . 1 T r - 500 y e a r s P a t r i c i a I s l a n d i n s t a n t a n e o u s I D . 2 T r ^ 50 y e a r s Norman Wei 1s i n s t a n t a n e o u s I D . 3 T r =^ 50 y e a r s Norman Wei 1s s t e p w i s e I D . 4 T r ^ 500 y e a r s Norman W e l l s i n s t a n t a n e o u s I D . 5 T r - ^ 5 0 0 y e a r s Norman Wei 1s s t e p w i se As t h e f e a t u r e s o f t h e c r o s c f l o w s e c t i o n a t Norman W e l l s , i n c l u d i n g t h e s i x man-made i s l a n d s , d i f f e r f r o m t h o s e o f s e c t i o n s w h e r e i c e j a m s c o n s i s t e n t l y o c c u r , i t i s u n l i k e l y t h a t s e v e r e i c e j a m s w o u l d be i n i t i a t e d a t Norman W e l l s . H o w e v e r , t n v i e w o f t h e s i g n i f i c a n c e o f t h e man-made i s l a n d c o n c e p t , t h e d e s i g n t a k e s e v e n t h e m o s t s e v e r e a n d u n l i k e l y e v e n t i n t o a c c o u n t .
i v .
The c o m p u t e d maximum s u r g e v e l o c i t i e s - d e p t h and w i d t h a v e r a g e d - and c o r r e s p o n d i n g e l e v a t i o n s a t Norman V / e l l s a r e : Run n o , : U d o w n s t r e a m m/s U u p s t r e a m m/ s h m + C D . I D . 1 2 . 8 6 1.63 1 3 . 5 1 I D . 2 3 . 3 2 2 . 7 1 6 . 7 5 I D . 3 3. 10 2 . 6 1 6 . 2 6 I D . 4 3 . 3 7 2 . 8 5 7 . 8 0 I D . 5 3 . 1 1 2 . 6 5 8 . 2 4
Computation of quasi-steady 2-dimensionat horizontal flow
In o r d e r t o d e t e r m i n e t h e l o c a l s u r g e v e l o c i t i e s a c r o s s a n d a l o n g t h e f l o w s e c t i o n a t Norman W e l l s a n d t h e s u r g e v e l o c i t i e s i n t h e v i c i n i t y o f a man-made i s l a n d , an o v e r a l l model and a d e t a i l e d model h a v e been used r e s p e c t i v e l y ( s e e c h a p t e r 4 ) .
The o v e r a l l model encompasses t h e s i x man-made i s l a n d s . The d e t a i l e d model c o m p r i s e s t h e d e e p e s t s i d e o f man-made i s l a n d n o . 2 . The c h a r a c t e r i s t i c s o f b o t h s c h e m a t i s a t i o n s a r e : Model L e n g t h W i d t h Mesh s i z e n
X
m o v e r a l 1 4000 m 2875 m 125 m 33X
24 d e t a i 1 e d 440 m 210 m 10 m 45X
22 The r e s u l t s o f t h e 1 - d i m e n s i o n a l f l o w s i m u l a t i o n p r o v i d e t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r t h e o v e r a l l m o d e l , w h i c h i n t u r n p r o v i d e t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r t h e d e t a i l e d m o d e l . W i t h a v i e w t o c o m p u t a t i o n a l c o n v e n i e n c e t h e c h a n n e l b e t w e e n Goose and Bear I s l a n d i s assumed t o be o b s t r u c t e d by i c e f l o e s ( a s s o c i a t e d w i t h t h e w o r s t l i k e l y e v e n t ) . C o m p u t a t i o n o f t h e 2 - d i m e n s i o n a l h o r i z o n t a l f l o w was c a r r i e d o u t w i t h t h e a i d o f t h e i n - h o u s e LEENDERT p r o g r a m .V. Run n o . : 2D. 1 Summer f l o o d b e f o r e c o n s t r u c t i o n o f t t i e man-made i s l a n d s ; r e t u r n p e r i o d T r 500 y e a r s 2 D . 2 Summer f l o o d a f t e r c o n s t r u c t i o n o f t h e man-made i s l a n d s ; r e t u r n p e r i o d T r - 500 y e a r s 2 D . 3 I n s t a n t a n e o u s r e l e a s e o f r i v e r - i c e j a m , i n i t i a t e d by t h e u p s t r e a m man-made i s l a n d s ; r e t u r n p e r i o d T r 50 y e a r s 2 D . 4 I n s t a n t a n e o u s r e l e a s e o f r i v e r - i c e j a m , i n i t i a t e d by t h e u p s t r e a m man-made i s l a n d s ; r e t u r n p e r i o d T r - 500 y e a r s A t t h e o p e n b o u n d a r i e s t h e r a t i o o f t h e maximum d e p t h - a v e r a g e d v e l o c i t y v e r s u s d e p t h and w i d t h a v e r a g e d v e l o c i t y i s a b o u t 1 . 2 5 -The maximum c o m p u t e d l o c a l v e l o c i t y w i t h i n t h e o v e r a l l m o d e l , a d j a c e n t t o t h e i n f l o w f r o m B o s w o r t h C r e e k , i s a b o u t 1.7 t i m e s t h e d o w n s t r e a m d e p t h and w i d t h a v e r a g e v e l o c i t y .
The b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f t h e d e t a i l e d model h a v e been d e r i v e d f r o m r u n n o . 2 D . 4 . The c o m p u t e d f l o w p a t t e r n a r o u n d t h e d e e p e s t s i d e o f
i s l a n d n o . 2 c o n s i s t s o f 2 l a r g e s c a l e e d d i e s .
The maximum v e l o c i t y a b o v e t h e s i d e s l o p e i s a b o u t 1.6 t i m e s t h e w i d t h a v e r a g e d v e l o c i t y .
The u l t i m a t e maximum l o c a l v e l o c i t y has been c o m p u t e d a t t h e u p s t r e a m c o r n e r o f t h e b l u n t - n o s e d i c e p i l e - u p b e r m : U - 6 . 8 m / s . F o r
^ ^ max
s t e p w i s e r e l e a s e o f t h e r i v e r - i c e j a m t h i s v a l u e may be d i m i n i s h e d by
Prediotïon of rïp-rap damage of top tayev
In c h a p t e r 5 p o s s i b l e damage t o t h e r i p - r a p t o p l a y e r has been
q u a n t i f i e d u s i n g t h e r e s u l t s o f t h e d e t a i l e d f l o w model i n c o m b i n a t i o n w i t h a ' d a m a g e ' f o r m u l a . A c c o r d i n g t o t h e c o m p u t a t i o n o f t h e most s e v e r e and u n l i k e l y e v e n t -i n s t a n t a n e o u s r e l e a s e o f an -i c e j a m , -i n -i t -i a t e d a t Norman W e l l s w -i t h a r e t u r n p e r i o d o f a p p r o x . 500 y e a r s - t h e c o r n e r o f t h e u p s t r e a m i c e p i l e - u p berm w i l l s u f f e r l o c a l a damage o f a b o u t 5 - 1 0 ^ , a s s u m i n g t h e r i p - r a p s l o p e p r o t e c t i o n as d e s i g n e d , i . e . w i t h o u t a d d i t i o n a l s t r e n g t h e n i n g , 5 - 1 0 ^ .
As t h i s l o c a l damage may be a g g r a v a t e d by f l o w t u r b u l e n c e t o a b o u t t v / i c e t h e o r i g i n a l c o m p u t e d damage and as a s u b s t a n t i a l d e s i g n i s r e q u i r e d , t h e s e c a l c u l a t i o n s i n d i c a t e t h a t t h e u p s t r e a m c o r n e r s h o u l d be f o r t i f i e d . H o w e v e r , as t h e damage w i l l be c o n f i n e d t o t h e u p s t r e a m c o r n e r s and s i n c e t h e r i s l < r e l a t e s t o a r e t u r n p e r i o d o f 500 y e a r s , t h i s s h o u l d p r e s e n t no d i f f i c u l t y .
Prediation of loaal river-bed seour adjacent to the slope protection
I n c h a p t e r 5 t h e d e v e l o p m e n t o f l o c a l s c o u r has been d e s c r i b e d and q u a n t i f i e d . The eddy s t r u c t u r e , t o be e x p e c t e d b e h i n d t h e b l u n t - n o s e d man-made i s l a n d s , i s a c o m b i n a t i o n o f 3 b a s i c v o r t e x s y s t e m s , v i z . h o r s e s h o e v o r t e x , wal<e v o r t e x and t r a i l i n g v o r t e x . U s i n g v a r i o u s f o r m u l a e , d e r i v e d f r o m model e x p e r i m e n t s , i t may be c o n c l u d e d t h a t t h e summer f l o o d - r e t u r n p e r i o d T r = 500 y e a r s a n d d u r a t i o n 2 d a y s a t l e a s t - w i l l p r o v i d e t h e m o s t s e v e r e s c o u r i n g c o n d i t i o n s . F o r t h e a b o v e c o n d i t i o n s t h e c a l c u l a t e d maximum s c o u r i n g d e p t h i n c o h e s i o n l e s s s e d i m e n t s a m o u n t s t o a p p r o x . 7 . 5 m a t a w a t e r d e p t h o f a p p r o x . 9 m. A c c o r d i n g t o i n i t i a l f i n d i n g s o f e r o s i o n t e s t s t h e c l a y s h a l e a t Norman W e l l s w i l l n o t e r o d e a t v e l o c i t i e s b e l o w a p p r o x . 5 m / s . S i n c e t h e maximum t h i c k n e s s o f t h e sand l a y e r c o v e r i n g t h e c l a y s t r a t u m does n o t e x c e e d 5 m a p p r o x i m a t e l y - t h e u l t i m a t e s c o u r i n g d e p t h a l l o v e r t h e r i v e r - b e d w i l l be 5 m a t t h e m o s t . As t h e r i p - r a p a p r o n w i l l be e x t e n d e d o v e r t h e c l a y l a y e r f o r a t l e a s t 10 m, t h e c a l c u l a t e d l o c a l s c o u r w i l l n e i t h e r e n d a n g e r t h e t o t a l r e s i s t a n c e o f t h e i s l a n d a g a i n s t s l i d i n g n o r i n i t i a t e l o c a l s l i d i n g s o f t h e r i p - r a p s l o p e p r o t e c t i o n . In a d d i t i o n , p o t e n t i a l h a z a r d s as r e s u l t o f s c o u r i n g d i s c o v e r e d d u r i n g t h e e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g and s u r v e i l l a n c e p r o g r a m s w o u l d be d e a l t w i t h i m m e d i a t e l y , b e f o r e more s e r i o u s e v e n t s c o u l d be e x p e c t e d t o o c c u r .
1 . I N T R O D U C T I O N
1 . 1 . P r o j e c t b a c k g r o u n d ,
Esso R e s o u r c e s Canada L i m i t e d (ERCL) p r o p o s e s t o e x p a n d t h e r e c o v e r y o f t h e o i l p o o l a t Norman W e l l s . T h i s s e c o n d a r y r e c o v e r y scheme i s r e f e r r e d t o as t h e Norman W e l l s E x p a n s i o n P r o j e c t . On F e b r u a r y 1 , 1 9 8 0 , Esso R e s o u r c e s Canada L i m i t e d s u b m i t t e d an a p p l i c a t i o n t o t h e F e d e r a l G o v e r n m e n t , D e p a r t m e n t o f I n d i a n S N o r t h e r n A f f a i r s , s e e k i n g a p p r o v a l t o i n i t i a t e t h i s p r o j e c t . Norman W e l l s i s s i t u a t e d on t h e n o r t h bank o f t h e M a c k e n z i e R i v e r , 145 km s o u t h o f t h e A r c t i c C i r c l e ( s e e F i g u r e l ) .
The Norman W e l l s d i s c o v e r y w e l l was s p u d d e d i n 1919 by t h e N o r t h w e s t Company, a s u b s i d i a r y o f I m p e r i a l O i l L i m i t e d . The f i e l d i s a p r o v e n o i l r e s o u r c e , e s t i m a t e d t o c o n t a i n a p p r o x . 100 m i l l i o n m (650 m i l l i o n b b l . ) o f o i 1 - i n - p l a c e . The a v e r a g e r e s e r v o i r t h i c k n e s s a m o u n t s t o a p p r o x . 160 m; t h e p o o l v a r i e s i n d e p t h f r o m 300 m on t h e m a i n l a n d t o 700 m on Bear I s l a n d , A p p r o x i m a t e l y 60% o f t h e r e s e r v o i r l i e s b e l o w t h e M a c k e n z i e R i v e r ( s e e F i g u r e 2 ) . To d a t e , t h e p r o d u c t i o n o f 50 w e l l s a m o u n t s t o a b o u t 500 m ^ d a y ( 3 , 2 5 0 b b l a d a y ) o f c r u d e o i l . In o r d e r t o i n c r e a s e t h e r a t e o f p r o d u c t i o n and r e c o v e r y a s e c o n d a r y r e c o v e r y scheme has been p r o p o s e d , u s i n g a p o o l - w i d e w a t e r f l c o d s y s t e m
( p l a n n e d p r o d u c t i o n r a t e o f c r u d e o i l : a p p r o x . 4000 m ^ / d a y ( 2 6 , 0 0 0 b b l a d a y ) , I n s t a l l a t i o n o f s u c h a scheme w i l l i n c r e a s e t h e r e c o v e r y r a t e t o m o r e t h a n 4 2 ^ o f t h e o r i g i n a l o i l - i n - p l a c e as c o m p a r e d t o 1 7 ^ w i t h t h e p r e s e n t
2 . To f a c i l i t a t e t h i s p r o j e c t , a m a j o r c o n s t r u c t i o n p r o g r a m has t o be u n d e r t a k e n t o accommodate t h e p r o p o s e d d r i l l i n g and p r o d u c t i o n p r o g r a m s . The ' s h a l l o w ' p o o l and t h e f e a t u r e s o f t h e o i 1 - b e a r i n g s t r u c t u r e r e q u i r e v e r t i c a l d r i l l i n g f r o m man-made p l a t f o r m s b e s i d e t h e m a i n c h a n n e l . To d a t e , man-made i s 1 a n d s - h y d r a u l i c a 1 1 y f i 1 1 e d - r e p r e s e n t t h e l e a s t r i s k o f m a s s i v e f a i l u r e i n c o n n e c t i o n v / i t h t h e e n v i r o n m e n t a l l o a d s t o be e x p e c t e d . 1 . 2 . D e s i g n o f t h e man-made i s l a n d s H y d r o n a m i c B . V , o f S l i e d r e c h t , H o l l a n d , was r e t a i n e d t o d e v e l o p a p r e l i m i n a r y d e s i g n c o n s t r u c t i o n m e t h o d and c o n s t r u c t i o n s c h e d u l e f o r s i x man-made i s l a n d s . The r e p o r t , ' D e s i g n and C o n s t r u c t i o n P l a n f o r D e v e l o p m e n t I s l a n d s a t Norman V / e l l s ' was i s s u e d t o Esso R e s o u r c e s on b e h a l f o f B e a v e r D r e d g i n g Company L i m i t e d .
The s i x a r t i f i c i a l i s l a n d s a r e s i t u a t e d i n s h a l l o w s h o a l a r e a s a d j a c e n t t o t h e m a i n c h a n n e l . Two o f t h e i s l a n d s a r e s i t u a t e d on t h e m a i n l a n d s i d e , f o u r on t h e Bear and Goose i s l a n d s i d e ( s e e F i g u r e 2 and D r a w i n g I ) . T h i s i s a m o d i f i c a t i o n o f t h e o r i g i n a l l o c a t i o n s , used i n t h e a b o v e - m e n t i o n e d
r e p o r t . )
The i n t e g r i t y o f t h e man-made i s l a n d s c o n c e p t p r e d o m i n a n t l y d e t e r m i n e s t h e e c o n o m i c v i a b i l i t y o f t h e s e c o n d a r y r e c o v e r y p r o j e c t . C o n s e q u e n t l y , H y d r o n a m i c d e s i g n e d t h e s i x man-made i s l a n d s r a t h e r c o n s e r v a t i v e l y . The t e n t a t i v e d e s i g n o f t h e i s l a n d s iias been a c o m p r o m i s e o f
r e q u i r e m e n t s , s u c h a s : i . f u l f i l l e x p l o i t i n g p u r p o s e i i . r e s i s t h y d r a u l i c l o a d ? l i i . r e s i s t o t h e r e n v i r o n m e n t a l l o a d s i v . c a u s e m i n o r c h a n g e s i n t h e c h a n n e l m o r p h o l o g y and t o p o g r a p h y The d e s i g n a p p l i e d h e r e i s b a s e d on a t r i e d and t r u e c o n s t r u c t i o n c o n c e p t , a p p l i e d u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s .
3 .
1.2.1. Island locations
The l o c a t i o n o f t h e i s l a n d s i s p r i m a r i l y p r e s c r i b e d by t h e r e q u i r e m e n t s o f r e s e r v o i r e n g i n e e r i n g , p a r t i c u l a r l y t h e s p a c i n g i n t h e d o w n s t r e a m d i r e c t i o n . F o r t h e c r o s s - f l o w s p a c i n g , h o w e v e r , t h e phenomenon o f i c e j a m m i n g has a l s o been tal<en i n t o c o n s i d e r a t i o n . The r e s u l t i n g f i n a l c o - o r d i n a t e s o f t h e s i x i s l a n d s a r e l i s t e d , be 1ow. i s l a n d n o . C o - o r d i n a t e s i s l a n d n o . E a s t i ng N o r t h i ng 1 559 510 7240 650 2 600 510 7240 310 3 597 530 7240 700 k 598 190 7240 320 5 598 830 7239 950 6 599 480 7239 570 T a b l e 1 , 1 : I s l a n d l o c a t i o n s1.2.2. Design criteria
Based on c o m p r e h e n s i v e o b s e r v a t i o n s o f t h e M a c k e n z i e R i v e r , r e p o r t e d by v a r i o u s c o n s u l t a n t s , s u p p l e m e n t e d by d a t a o b t a i n e d f r o m C a n a d i a n A r c t i c S t u d y L i m i t e d , t h e T a s k F o r c e on N o r t h e r n O i l D e v e l o p m e n t , G o v e r n m e n t s o u r c e s and i n - h o u s e s t u d i e s , ERCL e s t a b l i s h e d t h e f o l l o w i n g d e s i g n c r i t e r i a f o r t h e man-^niade i s l a n d s i n ' c o - o p e r a t i on w i t h H y d r o n a m i c : t o p w o r k i n g s u r f a c e a r e a : 45 m * 80 m a) e l e v a t i o n t o p w o r k i n g s u r f a c e : 5 4 . 0 0 m + T . S . C . T . S . C : T o p o g r a p h i c S u r v e y o f Canada ( s e e A p p e n d i x I )- t o p w o r k i n g s u r f a c e must be c l e a r o f i c e - summer mean w a t e r l e v e l : 4 3 . 0 0 m + T . S . C .
- s i d e s l o p e s must be s t a b l e a t a d r o p i n w a t e r l e v e l o f 0 . 3 0 m / h r d u r i n g an i c e j a m r e l e a s e ; m^aximum s t e e p n e s s s i d e s l o p e s :
1 v e r t i c a l i n 2 h o r i z o n t a l .
- s l o p e p r o t e c t i o n must r e s i s t t i m e and d e p t h a v e r a g e d peak f l o w v e l o c i t y o f 3 - 0 0 m / s .
- s l o p e p r o t e c t i o n w i l l be a d e q u a t e t o p r e v e n t damage by w a v e s ; s i g n i f i c a n t v/ave h e i g h t and p e r i o d a r e 1.20 m and k s e c o n d s , r e s p e c t i v e l y .
- s l o p e p r o t e c t i o n w i l l p r o v i d e a d e q u a t e r e s i s t a n c e t o e n v i r o n m e n t a l 1 o a d s .
1,2.Z. Development from pveliviinary to final design
D u r i n g a n e x t e n s i v e c o n s u l t a t i o n p r o c e s s o f ERCL t h e p r e l i m i n a r y d e s i g n as r e p o r t e d by H y d r o n a m i c / B e a v e r D r e d g i n g Company has been g r a d u a l l y m o d i f i e d t o ' f i n a l ' . The c o m p r o m i s e I n m e e t i n g t h e r e q u i r e m e n t s f r o m v a r i o u s e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e s r e s u l t e d i n t h e f o l l o w i n g d e s i g n : - w o r k i n g s u r f a c e , 80 m * 45 m a t an e l e v a t i o n o f 5 4 . 0 0 m + T . S . C , i s s u r r o u n d e d by a 1.00 m h i g h d i k e . - s i d e s l o p e s , 1 v e r t i c a l i n 2 h o r i z o n t a l , w i t h a 5 . 0 0 m h o r i z o n t a l s l o p i n g b e r m , t o be used as r a m p . - u p s t r e a m s l o p e i n c l u d e s an i c e p i l e - u p s t o r a g e b e r m ; s l o p e : 1 v e r t i c a l i n 10 h o r i z o n t a l ; l e n g t h : 5 0 . 0 0 m.
The t o e o f t h e s t o r a g e berm i n c l u d e s 2 berms f o r i n i t i a t i n g i c e p i l e - u p . l e n g t h : 15 m s p a c i n g : 35 m c e n t r e d a b o u t t h e i s l a n d c e n t r e l i n e t o p e l e v a t i o n : 4 6 . 0 m + T . S . C . - i s l a n d s a r e h y d r a u l i c a l 1 y f i l l e d s t r u c t u r e s , c o n s i s t i n g o f a sand c o r e and r i p - r a p s l o p e p r o t e c t i o n o v e r a f a b r i c f i l t e r c l o t h . - t o t a l v o l u m e o f s a n d : a p p r o x . 2 0 0 , 0 0 0 m^ p e r i s l a n d . - r i p - r a p s l o p e p r o t e c t i o n l i m e s t o n e r o c k f r o m Kee S c a r p q u a r r y ( s p e c i f i c d e n s i t y : 2600 k g / m ) * l a y e r s i z e l a y e r t h i c k n e s s . t o p l a y e r 150 kg - 800 kg 1.00 m . s e c o n d l a y e r 30 kg - 150 kg 0 , 8 0 m . t h i r d l a y e r q u a r r y r u n up t o 30 kg O.30 m
5 . f a b r i c f i l t e r c l o t h ( p r o p o s e d c h a r a c t e r i s t i c s ) ; * raw m a t e r i a l : w a r p : p o l y e t h y l e n e w e f t : p o l y p r o p y l e n e * t e n s i l e s t r e n g t h : w a r p : a p p r o x . 2000 N/5 cm w e f t : a p p r o x . 2000 N/5 cm * b u r s t s t r e n g t h : a p p r o x . 150 kg * w a t e r p e r m e a b i 1 i t y . e n e r g y d r o p . h y d r a u l i c g r a d i e n t . s i e v e o p e n i n g O^q 0 . 5 - 1 . 0 * 1 0 " ^ m a p p r o x . 1 a p p r o x . 150 y - a t t h e t o e o f t h e 1 i n 2 s l o p e s , r e a c h i n g t h e sand l a y e r , t h e r i p - r a p p r o t e c t i o n w i l l be e x t e n d e d up t o and o v e r t h e c l a y l a y e r a f t e r e x c a v a t i n g a t r e n c h : * s l o p e a p r o n up t o c l a y l a y e r : 1 v e r t i c a l i n 6 h o r i z o n t a l * minimum w i d t h o v e r c l a y l a y e r : 1 0 . 0 0 m * minimum w i d t h a p r o n : 2 5 . 0 0 m - c o n s t r u c t i o n s c h e m e : * d u r i n g w i n t e r s e a s o n r e t a i n i n g bunds o f q u a r r y r u n w i l l be p l a c e d i n t h e shape o f an i s l a n d - s i z e d h o r s e s h o e .
* a f t e r b r e a k - u p t h e sand r e t a i n i n g bunds w i l l be c o m p l e t e d and t h e c o r e sand w i l l be p l a c e d h y d r a u l i c a l 1 y ( s a n d b o r r o w p i t l i e s w i t h i n a p p r o x . 1000 m o f t h e p r o p o s e d i s l a n d l o c a t i o n ) . * a f t e r w a r d s f i l t e r c l o t h and r i p - r a p w i l l be p l a c e d a c c o r d i n g t o a t e s t e d t e c h n i q u e o f t h e c o n t r a c t o r . - c o n s t r u c t i o n s c h e d u l e : * t h r e e man-made i s l a n d s w i l l be c o m p l e t e d by S e p t e m b e r , I 9 8 I ; t h e o t h e r t h r e e by S e p t e m b e r , 1 9 8 2 , p r o v i d e d t h e G o v e r n m e n t a l A p p r o v a l i s n o t d e l a y e d . The g e n e r a l l a y - o u t as wel 1 as a d d i t i o n a l c r o s s - s e c t i o n s o f I s l a n d n o . 2 a r e shown i n D r a w i n g No. 1 1 .
6 .
1 . 3 . Terms o f r e f e r e n c e and s c o p e o f p r e s e n t report
T h i s r e p o r t w r a p s up t h e r e s u l t s o f s e v e r a l a d d i t i o n a l s t u d i e s and c o m p u t a t i o n s i n h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g , c a r r i e d o u t by H y d r o n a m i c , as f a r as t h e r e l i a b i l i t y o f t h e man-made i s l a n d c o n c e p t and i t s
i n t e g r i i t y i s c o n c e r n e d .
The g e n e r a l o u t l i n e o f t h e p r o p o s e d i t e m s , t o be c o v e r e d i n t h i s f i n a l r e p o r t , was s u b m i t t e d by H y d r o n a m i c B.V, t o Esso R e s o u r c e s Canada L i m i t e d by t h e t e l e p r i n t e r message o f September kth, I 9 8 O , c o d e d abu 9 ^ 1 ,
Terms o f r e f e r e n c e f o r c o m p i l i n g t h e a b o v e m e n t i o n e d r e s u l t s w e r e s t a t e d i n a t e l e x f r o m Esso R e s o u r c e s Canada L i m i t e d t o H y d r o n a m i c B . V . d a t e d September 2 6 t h , I 9 8 O , r e f l e c t i n g t h e p r o p o s e d i t e m s . A u t h o r i z a t i o n t o p r e p a r e t h i s r e p o r t was g i v e n i n s e r v i c e - o r d e r N 0 I3- S - 7 13 9 0 7 o f O c t o b e r 3 1 , I 9 8 O , f r o m Esso R e s o u r c e s Canada L i m i t e d t o H y d r o n a m i c , The f i n a l ' w r a p u p ' r e p o r t was t o f o c u s on t h e f o l l o w i n g i t e m s : ( 1 ) t o c o m p u t e f l o w v e l o c i t i e s d u r i n g v a r i o u s s i m u l a t e d r e l e a s e s o f r i v e r - i c e j a m s , i n i t i a t e d a t t h e r a p i d s d o w n s t r e a m o f P a t r i c i a I s l a n d as v/el 1 as i n t h e r i v e r s e d i m e n t n e a r l l o r m a n Wei 1 s , ( i i ) t o e s t i m a t e t h e d e g r e e o f damage t o t h e r i p - r a p s l o p e p r o t e c t i o n d u r i n g s e v e r e h y d r a u l i c c o n d i t i o n s , i n c l u d i n g t h e e f f e c t s o f f l o w s e p a r a t i o n , ( i i i ) t o p r e d i c t d e v e l o p m e n t o f l o c a l s c o u r i n t h e r i v e r bed a d j a c e n t t o t h e r i p - r a p a p r o n .
The s t u d i e s and c o m p u t a t i o n s h a v e been b a s e d on e x i s t i n g d a t a as r e v e a l e d b y :
* c o n s u l t a n t s r e p o r t s t o ERCL
* r e p o r t s o f t h e T a s k F o r c e on N o r t h e r n O i l D e v e l o p m e n t * r e p o r t s t o C a n a d i a n A r c t i c Gas S t u d y L i m i t e d
jfe i n - h o u s e r e p o r t s and memoranda o f ERCL « t h e E n v i r o n m e n t a l Impact S t a t e m e n t ( E I S ) * comments on t h e E I S
7 .
The w o r k done i n r e l a t i o n t o t h i s r e p o r t
vias
c a r r i e d o u t byM e s s r s . G . J . A . Loman and | - I . J . V e r h a g e n . The r e p o r t was p r e p a r e d by
M r . G . J . A . Loman. O c c a s i o n a l a s s i s t a n c e was g i v e n by M r . G . I . B i e s h e u v e l and M r . A. B u r g e r s , t h e l a t t e r b é i n g r e s p o n s i b l e as d e p a r t m e n t h e a d .
8 . 2 . R E G I M E C H A R A C T E R I S T I C S OF THE M A C K E N Z I E R I V E R 2 . 1 . G e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s a l ] - t h e - y e a r - r o u n d
Open season
From e a r l y J u n e t o l a t e S e p t e m b e r t h e M a c k e n z i e R i v e r i s n o r m a l l y n a v i g a b l e o v e r i t s l 6 0 0 km l e n g t h b e t w e e n G r e a t S l a v e L a k e and t h e B e a u f o r t Sea. The maximum w a t e r t e m p e r a t u r e i s a b o u t17 C e l c i u s d e g r e e s i n l a t e J u l y . ( F o r t N o r m a n , RKP 815
Freeze-up
F r e e z c - u p o f t h e M a c k e n z i e R i v e r a t Norman W e l l s u s u a l l y h a p p e n s i n a t h r e e - v . ' e e k p e r i o d i n O c t o b e r - N o v e m b e r . D u r i n g f r e e z e - u p i c e f l o e s a r e p u s h e d up on banks and b a r s . In t h e p a s t 40 y e a r s s i g n i f i c a n t i c e j a m s h a v e n o t been o b s e r v e d a t Norman W e l l s d u r i n g f r e e z e - u p .Midwinter \
The r o u g h u n d e r s i d e o f t h e i c e c o v e r becomes s m o o t h soon a f t e r f r e e z e - u p D e c r e a s e o f i c e r o u g h n e s s and r i v e r f l o w w i l l r e d u c e t h e w a t e r l e v e l , f o r m i n g h i n g c r a c k s n e a r t h e s h o r e . D u r i n g t h e w i n t e r t h e a v e r a g e t h i c k n e s s o f t h e r i v e r - i c e i n c r e a s e s f r o m C.8 m i n e a r l y December t o 1.6 m i n e a r l y May.
Break-i{p
G e n e r a l l y t h e r i v e r - i c e b r e a k - u p , i n d u c e d by i n c r e a s i n g f l o w r a t e s as w e l l as t h e r m a l i c e w e a k e n i n g , s t a r t s i n t h e s o u t h e r n , u p s t r e a m r e a c h e s and p r o g r e s s e s d o w n s t r e a m . The M a c k e n z i e R i v e r , h o w e v e r , d o e s n o t b r e a k up s e q u e n t i a l l y e v e r y w h e r e i n t h e d o w n s t r e a m , n o r t h e r n d i r e c t i o n . RKP = R i v e r K i l o m e t r e P o s t9 .
D o w n s t r e a m o f t h e L i a r d R i v e r j u n c t i o n a t F o r t Simpson t h e b r e a k - u p
g e n e r a l l y o c c u r s e a r l i e r t h a n i n t h e u p s t r e a m r e a c h e s , d u e t o t h e d o u b l i n g o f t h e r i v e r d i s c h a r g e and t o a d d i t i o n a l i n f l u x o f f l o a t i n g i c e f l o e s . The b r e a k - u p a t Norman V / e l l s g e n e r a l l y o c c u r s b e t w e e n Hay 6 and May 26
(MacKay and H a c k a y , 1973 (M & M ) ) ,
A c c o r d i n g t o MacKay and M a c K a y , 1973 t h e p r o b a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c o f t h e f i r s t movement o f t h e m a i n i c e c o v e r may be r e p r e s e n t e d as f o l l o w s : D a t e P r o b a b i l i t y o f e x c e e d a n c e May 6 95^o May 1 5 / 1 6 5 0 ^ May 25 5% T a b l e 2 . 1 : P r o b a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c o f t h e f i r s t movement o f t h e m a i n i c e c o v e r a t Norman W e l l s . The w a t e r e l e v a t i o n b e f o r e b r e a k - u p s t a r t s u s u a l l y v a r i e s f r o m 4 1 . 0 0 m + t o 4 2 . 0 0 m + T . S . C .
From r e p o r t e d o b s e r v a t i o n s i t was c o n c l u d e d t h e b r e a k - u p i n t h e Norman W e l l s i s c o n s i s t e n t l y a c c o m p a n i e d by ' p o n d i n g ' c o n d i t i o n s on a c c o u n t o f f o r m a t i o n s o f r i v e r - i c e j a m s ; t h e s e j a m s a r e m a i n l y i n i t i a t e d on t h e
r i v e r r e a c h b e t w e e n O g i l v i e I s l a n d (RKP 9 4 0 ) and P a t r i c i a I s l a n d (RKP 9 6 0 ) ( T . B l e n c h and A s s o c i a t e s L i m i t e d ( T . B . & A . ) , 1974)
The maximum w a t e r e l e v a t i o n o b s e r v e d a t Norman W e l l s d u r i n g an i c e j a m i n i t i a t e d n e a r P a t r i c i a I s l a n d i s 5 1 . 2 m + T . S . C . (May 2 1 , 1 9 7 4 ) .
10. 2 . 2 . M o r p h o l o g y M a c k e n z i e R i v e r n e a r Norman V / e l l s
2.2.1, Charme I network
The M a c k e n z i e R i v e r f l o w s i n a n o r t h w e s t e r l y d i r e c t i o n a t Norman V / e l l s . T h i s m i d d l e p a r t o f t h e M a c k e n z i e R i v e r c o n s i s t s o f a l t e r n a t e s i n g l e - c h a n n e l r e a c h e s and w i d e m u l t i - c h a n n e l r e a c h e s e n c o m p a s s i n g r e l a t i v e l y s t a b l e i s l a n d s . In t h e v i c i n i t y o f Norman V / e l l s t h e M a c k e n z i e R i v e r i s e x c e p t i o n a l l y w i d e ; i t i s c h a r a c t e r i s e d by s e v e r a l i s l a n d c o n f i g u r a t i o n s . The n e a r e s t s i n g l e - c h a n n e l r e a c h e s t o Norman W e l l s (RKP 9 1 0 ) a r e u p s t r e a m o f Ten M i l e ' I s l a n d (RKP 8 8 5 ) and d o w n s t r e a m o f Rader I s l a n d (RKP 9 2 0 )( s e e f i g u r e I ) .
The r i v e r r e a c h n e a r Norman V / e l l s c o n s i s t s o f a m a i n n o r t h c h a n n e l , a b o u t 1200 m t o 2000 m i n w i d t h , and a s m a l l e r s o u t h c h a n n e l , d i v i d e d by Goose and Bear I s l a n d .
Goose and Bear I s l a n d a r e low r e l i e f c o n f i g u r a t i o n s , w i t h t o p e l e v a t i o n s a t a p p r o x . kS m and 55 m + T . S . C , r e s p e c t i v e l y .
S p e c i a l i c e - i n d u c e d f e a t u r e s s u c h as i c e j a m b y p a s s c h a n n e l s ,
as s e e n on c e r t a i n r i v e r s i n t h e e a s t e r n p a r t o f t h e N o r t h w e s t T e r r i t o r i e s , a r e n o t o b v i o u s (NHCL, 1 9 7 9 ) * ^ ^ '
2.2.2. Historical changes in chamxel topography
Changes i n c h a n n e l n e t w o r k have been e x a m i n e d w i t h t h e a i d o f a i r p h o t o s t a k e n i n 1950 and 1972 (NHCL, 1 9 7 9 ) , as shown i n f i g u r e 3 . The c o m p a r i s o n i n d i c a t e s t h e f o l l o w i n g c h a n g e s : - h i s t o r i c a l c h a n g e s i n wooded r i v e r and i s l a n d b a n k s a r e r e l a t i v e l y s m a l l ; t h e r e c e s s i o n o f d o w n s t r e a m and s o u t h e r n b a n k s o f B e a r I s l a n d a m o u n t s t o a b o u t 100 m i n 22 y e a r s . N o r t h w e s t H y d r a u l i c C o n s u l t a n t s L i m i t e d
1 1 .
- m a j o r sand b a r s may be s h i f t i n g a t up t o 12 m / y r l o c a l l y . - w i d e n i n g o f t h e c h a n n e l b e t w e e n Goose and Bear I s l a n d .
Changes i n bed t o p o g r a p h y h a v e been d e t e r m i n e d by c o m p a r i n g m a p s , c o m p i l e d by t h e C a n a d i a n H y d r o g r a p h i c S e r v i c e based on s u r v e y s o f 1 9 6 4 , 1974 a n d 1 9 7 8 . V a r i o u s d e p t h c h a n g e s a r e i n t h e o r d e r o f 2 m (NHCL, 1 9 7 9 ) . C o m p a r i s o n o f t h e e d i t i o n s I 9 7 8 and 1979 o f t h e H y d r o g r a p h i c map n o . 6'l-19 i n d i c a t e s c h a n g e s o f m i n o r i m p o r t a n c e i n r e l a t i o n t o c h a n g e s d u r i n g h i g h r u n - o f f s . The o v e r a l l p i c t u r e i s t h a t t h e s i l t a t i o n i s more s i g n i f i c a n t t h a n e r o s i o n ; t h i s , h o w e v e r , may be an i n t e r - a n n u a l f l u c t u a t i o n .
R e m a r k a b l e i s t h e a c c r e t i o n on t h e s o u t h bank b e t w e e n Mac and Goose I s l a n d .
2.2.3. Longitudinal profile
The c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t i e s c h a n g e a l o n g t h e c o u r s e o f t h e r i v e r d u e t o t r i b u t a r i e s , s u r f a c e r u n - o f f , e t c .
G e n e r a l l y d i s c h a r g e and c o n v e y i n g w i d t h i n c r e a s e and bed s l o p e and m e d i a n g r a i n - s i z e d e c r e a s e down t h e r i v e r . The mean e n e r g y g r a d i e n t f o r ' l o w w a t e r ' as m e a s u r e d by D e p a r t m e n t o f P u b l i c W o r k s , Canada may be d e t e r m i n e d f r o m t h e r e f e r e n c e d a t a o f t h e G . S . C . * \ 'Low w a t e r ' i s t h e d a t u m e s t a b l i s h e d by t h e D e p a r t m e n t o f P u b l i c Works and a s s o c i a t e d w i t h t h e 1 0 ^ s t a g e d u r a t i o n . A mean s l o p e o f 9 2 * 1 0 ^ was d e r i v e d by NHCL f o r t h e r i v e r s e c t i o n b e t w e e n RKP 850 and RKP 910 (Norman W e l l s ) as shown i n f i g u r e 4 .
The mean l o w w a t e r s l o p e o f 143*10 ^ as d e r i v e d f o r t h e r i v e r
s e c t i o n b e t w e e n RKP 845 ( G a u d e t I s l a n d ) and RKP 9^0 ( C a r i c a j o u R i d g e ) has been a p p l i e d i n t h e m a t h e m a t i c a l h y d r a u l i c m o d e l s o f H y d r o n a m i c .
1 2 .
2 . 3 - St r a t i g r a p h y m a i n c h a n n e l a t Norman W e l l s
2.3.1. General description
The d e s c r i p t i o n s and d a t a g i v e n b e l o w have been e x t r a c t e d f r o m t h e r e p o r t s o f g e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t i o n s o f EBA, 1 9 7 8 * ^ ^ KCL/GCL, 1 9 8 0 * ^ ^
The r i v e r b e d o f t h e m a i n c h a n n e l a t Norman W e l l s c o n s i s t s o f r e c e n t a l l u v i a l s a n d s , g r a v e l and s i l t s i n d e p o s i t s o f v a r y i n g t h i c l < n e s s
( s e e F i g u r e 5 and D r a w i n g No. I ) .
The d i s t r i b u t i o n and g r a i n - s i z e o f t h e s e d e p o s i t s a r e i r r e g u l a r ; g r a v e l and p o s s i b l y l a r g e r c o b b l e s and b o u l d e r s may be f o u n d t h r o u g h o u t t h e
r i v e r b e d .
F i n e r sand and s i l t s w e r e e n c o u n t e r e d n e a r Goose and Bear I s l a n d ; c o a r s e s a n d s n e a r t h e n o r t h b a n k . T h e s e d e p o s i t s l a y on a f a i r l y c o n s o l i d a t e d s t r a t u m ó f m a s s i v e , g r e y , s i l t y c l a y o r i n some c a s e s o f b e d r o c k ( m u d s t o n e , s i l t s t o n e and c l a y s h a l e ) . The t o p e l e v a t i o n o f t h i s s t r a t u m v a r i e s a c r o s s t h e c h a n n e l ( s e e f i g u r e 6 ) . The t o p e l e v a t i o n s and t h e c r o s s - s e c t i o n s l o p e s a t t h e i s l a n d l o c a t i o n s h a v e been t a b u l a t e d i n A p p e n d i x 2 .
2.3.2. Geotechnical properties ^
The g e o t e c h n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e a b o v e m e n t i o n e d s t r a t a , as m e a s u r e d by t e s t i n g numerous d r i l l i n g - s a m p l e s , may be r e p r e s e n t e d as f o l l o w s . * 1 ) * 2 ) EBA E n g i n e e r i n g C o n s u l t a n t s L i m i t e d KOMEX C o n s u l t a n t s Limited/GEOCON L i m i t e d1 3 . - r i v e r b e d a 1 1u v i urn « s i11 c o n t e n t : 0 10 % med i an g r a i n - s i ze : 200 600 ym * r e l a t i v e d e n s i t y : a p p r o x . 50 % * w a t e r c o n t e n t : 10 25 % * d r y d e n s i t y : 1500 1700 kg/n? * permeab i1i t y : 0 . 0 0 8 - 8 . 0 m/s o * f r l e t i o n a n g l e : a p p r o x . 30 m/s o - g l a c i o l a c u s t r i n e s i l t y c l a y * s i11 c o n t e n t : 35 70 °/ '0 * w a t e r c o n t e n t : 25 30 °/ '0 * l i q u i d l i m i t : 45 75
"/
'0 * p l a s t i c i t y i n d e x : 20 40 % * d r y dens i t y : 1400 1500 k g / m ^ * u n c o n f i n e d s l i e a r s t r e n g t h : 40 100 kPa - bedrocl< ( m u d s t o n e , s i l t s t o n e and c l a y s h a l e ) * w a t e r c o n t e n t : 2 16 °/ '0 * c o m p r e s s i o n s t r e n g t h . c l a y s h a l e : 1.8 - 7 . 2 MPa , s i l t s t o n e : up t o 15 4 MPa T a b l e 2 . 2 . : G e o t e c h n i c a l p r o p e r t i e sZ.h. I c e j a m m i n g d u r i n g b r e a k - u p
2.4.1. Development of floating ice jams
The f o r m a t i o n o f f l o a t i n g i c e j a m s i s g o v e r n e d by t h e f o l l o w i n g f a c t o r s : - w a t e r d i s c h a r g e and w a t e r s t a g e - q u a n t i t y o f f l o a t i n g i c e " w e a t h e r c o n d i t i o n s i n t h e p r e - b r e a k - u p p e r i o d - t i m e o f b r e a k - u p - l o c a t i o n s c a u s i n g i m p e d i m e n t o f i c e f l o e s , s u c h a s : * b r i d g e p i e r s * n a r r o w deep c h a n n e l s w i t h s t e e p b a n k s * s h a l low b a r s * i n f l o v j o f t r i b u t a r i e s The b r e a k - u p o f t h e r i v e r - i c e i s g e n e r a l l y i n d u c e d by an i n c r e a s i n g f l o w r a t e on a c c o u n t o f r u n o f f s f r o m t h e m e l t i n g p r o c e s s . Due t o t h e r i s e o f t h e w a t e r l e v e l t h e s u r f a c e i c e i s l i f t e d , e x c e p t w h e r e i t i s f r o z e n t o t h e b o t t o m a t b a r s and a t b a n k s . T h i s c r e a t e s o p e n l e a d s o v e r i t and t h e f l o a t i n g i c e i n t h e c o n v e y i n g c h a n n e l s i s w i t h o u t l a t e r a l s u p p o r t . The d e m a r c a t i o n l i n e b e t w e e n a n c h o r e d and f l o a t i n g i c e i s m a r k e d by h i n g e c r a c k s w h i c h d e v e l o p when t h e w a t e r l e v e l r e c e d e s i n t h e e a r l y w i n t e r . In t h e M a c k e n z i e R i v e r t h i s l i n e v a r i e s m a i n l y b e t w e e n t h e d e p t h c o n t o u r s o f 3 m 7 and 5 m -f w i n t e r l e v e l . The f i r s t movement o f t h e f l o a t i n g i c e , w i t h o u t l a t e r a l s u p p o r t , s t a r t s w i t h t r a n s v e r s e c r a c k s o w i n g t o t h e r e l a t i v e l y weak t e n s i l e s t r e n g t h o f i c e . O b s t r u c t i o n o f m o v i n g i c e s h e e t s may f o r m p r e s s u r e r i d g e s a n d / o r i c e p u s h - u p . I f k e y e d i c e s h e e t s f o r m an i m p e d i m e n t o f i c e f l o e s an i c e j a m may o c c u r . I t c a n , h o w e v e r , a l s o h a p p e n t h a t an i c e j a m does n o t o c c u r , due t o t h e f a c t t h a t t h e f e e d i n g f l o e s w i l l be c a r r i e d u n d e r t h e i c e c o v e r , d e p e n d e n t on t h e l o c a l h y d r a u l i c c o n d i t i o n s and t h e s i z e o f f l o e s .
1 5 . The t h i c k n e s s o f a r i v e r - i c e j a m i s c o n t r o l l e d b y : - s u b m e r g e n c e p o t e n t i a l o f i c e - i n t e r n a l ' i c e s t r e n g t h ' - e x t e r n a l r e s i s t i n g f o r c e s - e x t e r n a l a c t i v e f o r c e s , s u c h a s : * f l o w and w i n d s h e a r * v v e i g h t c o m p o n e n t o f i c e c o v e r * h y d r a u l i c p r e s s u r e a t t h e u p s t r e a m edge o f t h e j a m S m a l l e r i c e s h e e t s , r e s u l t i n g f r o m l o c a l i s e d i n t e r n a l c o l l a p s e , may be s w e p t u n d e r t h e i c e c o v e r and may damage t h e l a r g e r s h e e t s , c r e a t i n g o p e n l e a d s . F i l l i n g o f s u c h an open l e a d w i t h i c e f l o e s may c a u s e t h e o p e n i n g o f a n o t h e r l e a d , i n i t i a t i n g an a l t e r n a t i n g p r o c e s s . I c e j a m s i n w i d e r i v e r c h a n n e l s c o n s i s t m a i n l y o f a c o n g l o m e r a t i o n o f f i n e f r a g m e n t e d , h e a v i l y p a c k e d i c e . Such a j a m i s f o r m e d when t h e a c t i v e f o r c e s e x c e e d t h e i n i t i a l r e s i s t i n g f o r c e s . The t h r u s t i n c r e a s e s d o w n s t r e a m l e a d i n g t o d e f o r m a t i o n and c o n s o l i d a t i o n . I f t h e j a m t h i c k e n s by i n t e r n a l c o l l a p s e t h e n i t i s s a i d i n l i t e r a t u r e t o be a ' w i d e ' r i v e r j a m . ' N a r r o w ' j a m s a r e assumed t o f o r i r i e x c l u s i v e l y by s u b m e r g e n c e o f i c e f l o e s ; t h e t o t a l a c t i v e f o r c e s a r e t r a n s m i t t e d d i r e c t l y t o t h e b a n k s ; t h e j a m does n o t c o n s o l i d a t e .
2.4.2. Ice jmi failure
F l o a t i n g r i v e r - i c e j a m s become u n s t a b l e d u e t o : ~ g e t t i n g t h i c k e r - i n c r e a s i n g r i v e r f l o w - t h e r m a l i c e w e a k e n i n g A f t e r t h e j a m i s r e l e a s e d a s u r g i n g p r o c e s s o c c u r s and r e s t o r e s t h e e q u i l i b r i u m w a t e r d e p t h .
1 6 .
The r e l e a s e o f t h e ' p o n d e d ' w a t e r f o r m s an u n s t a b l e f l o o d w a v e , t r a v e l l i n g d o w n s t r e a m . The f l o a t i n g i c e c o v e r may impede t h i s .
The u n r a v e l i n g p r o c e s s a t t h e d o w n s t r e a m edge o f t h e j a m p r o c e e d s u p s t r e a m ; g e n e r a l l y s u c h a d i s t u r b a n c e t r a v e l s w i t h a s p e e d
e q u i v a l e n t t o t h e s h a l l o w w a t e r w a v e , c = / g h .
2.4.3. Observations of ice break-up
The o b s e r v e d phenomena o f b r e a k - u p and r i v e r - i c e j a m m i n g h a v e been o u t l i n e d i n s e v e r a l r e p o r t s (M & M, 1 9 7 3 ; T . B . & A , 1974 and 1 9 7 5 ) .
I t i s a p p a r e n t f r o m t h e s e o b s e r v a t i o n s t h a t r i v e r i c e j a m s b e t w e e n F o r t Norman (RKP 8 1 5 ) and A x e l I s l a n d (RKP 1000) - u p s t r e a m and d o w n s t r e a m o f Norman W e l l s , r e s p e c t i v e l y - t e n d t o o c c u r i n n a r r o w s i n g l e c h a n n e l r e a c h e s w i t h s t e e p b a n k s , o f t e n d o w n s t r e a m o f m u l t i - c h a n n e l r e a c h e s . I t has been r e p o r t e d t h a t i c e j a m s o c c u r q u i t e r e g u l a r l y a t s p e c i f i c l o c a t i o n s . P r o b a b l e s i t e s b e t w e e n F o r t Norman and A x e l I s l a n d s h a v e been m a r k e d i n F i g u r e 7 .
Based on t h e r e p o r t s o f T . B l e n c h and A s s o c i a t e s ( 1 9 7 4 ) and MacKay and MacKay ( 1 9 7 3 ) » i t a p p e a r s t h a t t h e n e a r e s t c o n s i s t e n t i c e j a m s i t e s t o Norman W e l l s a r e l o c a t e d a b o u t 40 km u p s t r e a m n e a r H a l f w a y I s l a n d s , and a b o u t 20 km d o w n s t r e a m n e a r O g i l v i e I s l a n d . T h e r e i s no e v i d e n c e o f s i g n i f i c a n t i c e j a m m i n g c o n d i t i o n s i n t h e Norman Wei 1s r e a c h . A f t e r t h e r e l e a s e o f a w i d e r i v e r - j a m t h e a c c u m u l a t e d i c e may t a k e s e v e r a l d a y s t o p a s s . O b s e r v a t i o n s i n d i c a t e t h a t t h e r a t e o f r i v e r i c e c l e a r a n c e depends on t h e h e i g h t o f t h e ' p o n d e d ' w a t e r l e v e l ; a t F o r t Simpson t h i s r a t e r a n g e s f r o m a p p r o x . 40 t o 160 k m / d a y d u r i n g t h e p e r i o d s s t u d i e d i n I 9 6 I - I 9 6 B a c c o r d i n g t o MacKay and Mackay ( 1 9 7 3 ) .
17 On a c c o u n t o f t h e peak s h a v i n g f u n c t i o n o f t h e G r e a t Bear L a k e , t h e G r e a t Bear R i v e r , e n t e r i n g t h e M a c k e n z i e R i v e r j u s t d o w n s t r e a m o f F o r t N o r m a n , p r o v i d e s a r e l a t i v e l y s t a b l e i n f l o w , e v e n d u r i n g b r e a k - u p O b s e r v a t i o n s o f t h e b r e a k - u p by B e l t a o s , 1978, i n d i c a t e t h a t j a m s a r e f o r m e d by t h e s u d d e n k e y i n g o f h e a v y i c e r u n s ; t h i s r e s u l t s i n s e v e r a l i n t e r n a l c o l l a p s e s ; t h e d y n a m i c f o r c e s a r e much g r e a t e r t h a n t h e ' q u a s i - s t e a d y ' f o r c e s .
I t has been s t a t e d t h a t most o f t h e j a m s i n n a t u r a l s t r e a m s a r e o f t h e ' i n t e r n a l c o l l a p s e t y p e ' .
1 8 . 2 . 5 . R i v e r d i s c h a r g e and p r o b a b i l i t y o f o c c u r r e n c e
2.5.1. A simple approach
In t h e p a s t t h e need f o r s i m p l e t r e a t m e n t o f a r i v e r r e g i m e has l e d t o s i m p l i f i c a t i o n i n t o a s i n g l e d i s c h a r g e and t o t h e c o r r e l a t i o n o f t h e r i v e r c h a r a c t e r i s t i c s t o t h i s s o - c a l l e d d o m i n a n t d i s c h a r g e Q.^. A c k e r s and C h a r l t o n ( 1 9 7 0 ) d e f i n e t h e d o m i n a n t d i s c h a r g e i n r e l a t i o n t o t h e c a p a c i t y o f m e a n d e r i n g o f s t r e a m s due t o v a r y i n g f l o w s as f o l l o w s : ' T h e d o m i n a n t d i s c h a r g e i s t h e s t e a d y f l o w , p r o b a b l y l y i n g w i t h i n t h e r a n g e o f imposed p e r i o d i c a l l y v a r y i n g f l o w , t h a t w o u l d y i e l d t h e ' m e a n d e r i n g l e n g t h ' i n an o t h e r w i s e s i m i l a r e x p e r i m e n t . ' For a c t u a l l y c o m p u t i n g o f 0.^ t h e f o l l o w i n g p r o c e d u r e may be a p p l i e d . C o m b i n a t i o n o f an a d e q u a t e t r a n s p o r t f o r m u l a w i t h t h e p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n o f Q y i e l d s t h e p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n o f s e d i m e n t t r a n s p o r t S. Trie d o m i n a n t d i s c h a r g e Q.^ i s t h e n d e f i n e d as t h e d i s c h a r g e a s s o c i a t e d v.-ith t h e mean o f t h e t r a n s p o r t d i s t r i b u t i o n , F { S ( Q ) } . I f i n r i v e r s w i t h d e f i n i t e f l o o d p l a i n s t h i s d i s t r i b u t i o n i s n o t a v a i l a b l e , t h e d o m i n a n t d i s c h a r g e may be a p p r o x i m a t e d by t h e b a n k f u l l d i s c h a r g e . H o w e v e r , d e t e r m i n a t i o n o f a d o m i n a n t d i s c h a r g e f r o m t h e f l o o d f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s o n l y i s n o t i n a c c o r d a n c e w i t h i t s d e f i n i t i o n . W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e c o m p u t a t i o n a l c a p a c i t y i n r i v e r e n g i n e e r i n g s t u d i e s t h e need f o r a s i n g l e r e p r e s e n t a t i v e d i s c h a r g e d i m i n i s h e s g r a d u a l l y .2.5.2, Handling of extremes
The d i s c h a r g e phenomenon may be c o n s i d e r e d as a c o m b i n a t i o n o f a
d e t e r m i n i s t i c and a s t o c h a s t i c a p p r o a c h . T h e r e f o r e , s t a t i s t i c a l m e t h o d s a r e u s e d f o r a n a l y s i s o f o b s e r v a t i o n s i n o r d e r t o e s t i m a t e t h e p r o b a b i l i t y o f a c e r t a i n e v e n t . In c a s e o f e x t r e m e s t h e p e r i o d o f o b s e r v a t i o n i s u s u a l l y n o t l o n g e n o u g h t o d e f i n e a s t a t i s t i c a l law d e s c r i b i n g t h e phenonomon w i t h s u f f i c i e n t a c c u r a c y . ' Gumbel ( 1 9 5 8 ) d e r i v e d a method t o h a n d l e e x t r e m e s , w h i c h has f o u n d
1 9 . The p r o b a b i l i t y t h a t an a n n u a l maximum i s >< o r l e s s t h a n _x i s g i v e n b y : P r { x } = e x p ( - e x p ( - y ) ) The e x p e c t e d a v e r a g e r e t u r n p e r i o d T r , a s s o c i a t e d w i t h a c e r t a i n p r o b a b i l i t y P r { > < } , i s g i v e n b y : T r = 1 / ( 1 - P r { x } ) The a b o v e - m e n t i o n e d r e t u r n p e r i o d T r i s t h e a v e r a g e r e t u r n p e r i o d o f a c e r t a i n e v e n t , m e a s u r e d o v e r an i n f i n i t e l y l o n g t i m e i n t e r v a l . H o w e v e r , we s h o u l d n o t l o o k a t i n f i n i t y , b u t a t a w e l l - d e f i n e d number o f y e a r s , f r o m now o n ; t h i s c o u l d be 5 , 50,, o r 500 y e a n s . F o r d e s i g n p u r p o s e s we may n o t l o o k a t t h e a v e r a g e r e t u r n p e r i o d ( o v e r an i n f i n i t e l y l o n g t i m e i n t e r v a l ) , b u t a t t h i s s p e c i f i c p e r i o d and a t t h e r i s k we r u n t h a t d u r i n g t h i s s p e c i f i c p e r i o d , t h e g i v e n e v e n t o c c u r s . The r e t u r n p e r i o d T r c a n be r e l a t e d t o t h e ' r i s k ' t h a t t h i s e v e n t w i l l o c c u r i n a c e r t a i n i n t e r v a l w i t h , t h e a i d o f t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : w h e r e : y = s t a n d a r d i s e d Gumbel v a r i a b l e = a
X +
3 a , 3 s t a t i s t i c a l p a r a m e t e r s * ) T r =-- { 1 - P R / 1 0 0 ) w h e r e : T r = e x p e c t e d a v e r a g e r e t u r n p e r i o d PR = r i s k o f o c c u r r e n c e i n p e r i o d T o ( y e a r s ) T -- p e r i o d c o n s i d e r e d w h e r e g i v e n r i s k 1e v e l a p p l1e s t o ( y e a r s ) l e a s t s q u a r e f i t o f t h e p o p u l a t i o n o f a n n u a l e x t r e m e s by t h e i n - h o u s e GUMBEL p r o g r a m .2 0 .
For e x a m p l e , t h i s i m p l i e s t h a t a v e r a g e r e t u r n p e r i o d s o f 50 and 500 yea r e s p e c t i v e l y t a l l y v ; i t h t h e f o l l o w i n g s p e c i f i c t i m e - i n t e r v a l s w h e r e t h e r i s i c i n d i c a t e d i n t h e t a b l e o c c u r s : Ri sk A p p r o x i m a t e d t i m e i n t e r v a l Ri sk T r = 50 y e a r s T r = 500 y e a r s 5% . 3 y e a r s 25 y e a r s 5 y e a r s 52 y e a r s 18 y e a r s 181 y e a r s 5 0 ^ 35 y e a r s 3^6 y e a r s 63°4 50 y e a r s 500 y e a r s The i n f e r e n c e f r o m t h e a b o v e f i g u r e s must be t h a t s i m p l y s e l e c t i n g an a v e r a g e r e t u r n p e r i o d o f 50 y e a r s i s n o t s u f f i c i e n t s i n c e t h e r e i s a r i s k o f 6 3 ^ t h a t i n t h e n e x t 50 y e a r s t h e g i v e n e v e n t w i l l o c c u r . S i n c e t h e l i f e - t i m e o f t h e c o n s t r u c t i o n c o n s i d e r e d w i l l be i n t h e o r d e r o f 2 5 - 5 0 y e a r s , and t a k i n g a r i s k l e v e l o f 5 - 1 0 ^ as a c c e p t a b l e d u r i n g t h a t l i f e - t i m e , an a v e r a g e r e t u r n p e r i o d o f 500 y e a r s i s m o r e a p p r o p r i a t e f o r d e s i g n p u r p o s e s .
21
2.5.3. Stage-disohavge curve for steady flow
S i n c e 19^3 t h e M a c k e n z i e R i v e r and i t s . t r i b u t a r i e s have been g a u g e d by t h e Water S u r v e y o f Canada ( W . S . C ) , D e p a r t m e n t o f t h e E n v i r o n m e n t , d u r i n g t h e o p e n w a t e r s e a s o n ; f u l l y e a r d a t a a r e a v a i l a b l e s i n c e 1 9 6 6 . F i g u r e 8 shows t h e m o n t h l y mean d i s c h a r g e s a t Norman W e l l s .
S i n c e t h e i n c e p t i o n o f t h e E n v i r o n m e n t a l - S o c i a l P r o g r a m , N o r t h e r n P i p e l i n e s , i n 1970 t h e n e t w o r k o f g a u g i n g s t a t i o n s was c o n d e n s e d and e x t e n d e d i n t h e M a c k e n z i e V a l l e y a r e a . S i n c e 1970 s t a g e and d i s c h a r g e d a t a h a v e been c o l l e c t e d a t 18 s t a t i o n s w i t h t h e a i d o f new m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s u t i l i z i n g t e l 1 u r o m e t e r s and e c h o s o u n d e r s ; t h e d a t a a r e t r a n s m i t t e d t o C a l g a r y by t h e ERTS s a t e l l i t e s y s t e m .
The g a u g i n g s t a t i o n a t Norman W e l l s , W . S . C . S t a t i o n 10 KA 001 , has been o p e r a t i n g s i n c e I 9 6 O . The s t a g e - d i s c h a r g e c u r v e f o r s t e a d y f l o w a t Norman V / e l l s , as p r e s e n t e d i n F i g u r e 9 , was c a l i b r a t e d by W . S . C . Jn a s i n g l e c h a n n e l 30 km u p s t r e a m , ( M o i r / E R C L , 1 9 7 9 ) . T h e r e f o r e , t h e r e l i a b i l i t y o f t h e r a t i n g c u r v e f o r s t e a d y f l o v / i s r a t h e r w i d e . D e v i a t i o n s f r o m t h i s r a t i n g c u r v e can be c a u s e d by m o r p h o l o g i c a l c h a n g e s o f t h e r i v e r bed and by t h e p r e s e n c e o f v l o o d w a v e s ; a f l o o d wave
p r o d u c e s a h y s t e r e s i s l o o p i n t h e r a t i n g c u r v e .
L o c a t i o n : 6 5 ° l 6 ' 5 V ' N 1 2 6 ° 5 0 / 5 8 " W
k 2
2 2 ,
2.5.4. Determination of flood frequency oharacteristios
I n o r d e r t o p r e d i c t t h e r e c u r r e n c e o f s e v e r e f l o o d i n g s t h e a v a i l a b l e d a t a h a v e been r e v i e w e d and a n a l y s e d by means o f t h e i n - h o u s e
GUMBEL p r o g r a m f o r e x t r e m e v a l u e d i s t r i b u t i o n .
D i s t i n c t i o n s h o u l d be made b e t w e e n t h e e x t r e m e s t a g e s and d i s c h a r g e s d u r i n g t h e open summer s e a s o n , p r i o r t o t h e r e l e a s e o f r i v e r - i c e
j a m s - i n i t i a t e d d o w n s t r e a m o f . P a t r i c i a . I s i a n d . - , and d u r i n g t h e r e l e a s e i t s e l f .
The a v a i l a b l e d a i l y maximum and m o n t h l y mean d i s c h a r g e s as w e l l as t h e d a i l y maximum s t a g e s d u r i n g t h e p e r i o d 1963~1978 have been t a b u l a t e d
i n A p p e n d i x 3 ( s o u r c e s : LORAM/NHCL*^1979; W , S . C , r e c o r d s o f 1 9 7 0 , 1 9 7 2 , 1973 and 1 9 7 ^ ; M o i r / E R C L , I 9 8 O ) ,
I t s h o u l d be e m p h a s i s e d t h a t most o f t h e p u b l i s h e d d a i l y d i s c h a r g e s a t Norman W e l l s o u t s i d e t h e open s e a s o n a r e e s t i m a t e s , made by W . S . C .
S t a t i s t i c a l l y t h e p o p u l a t i o n o f e x t r e m e s o v e r 1 9 6 3 - 1 9 7 3 i s r a t h e r n o n - h o m o g e n e o u s , e s p e c i a l l y when compared t o t h e s e r i e s o f t h e e x t r e m e s a f t e r 1970 (NHCL, 1 9 7 9 ) . The c h a n g e i n measurement t e c h n i q u e s m e n t i o n e d e a r l i e r m i g h t h a v e c o n t r i b u t e d t o t h i s n o n - h o m o g e n I t y , ; The n o n - h o m o g e n e o u s p o p u l a t i o n s o f e x t r e m e s a r e t h e r e a s o n t h a t e v e n t s w i t h a l o w p r o b a b i l i t y c a n n o t be p r e d i c t e d w i t h t h e same a c c u r a c y as e v e n t s w i t h a h i g h e r p r o b a b i l i t y , due t o an . i n c r c a s i n g s t a n d a r d d e v i a t i o n a t s u c h l o w . p r o b a b i1 I t i e s . The c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e Gumbel f i t i n c l u d e t h e p r e d i c t e d a v e r a g e v a l u e s as w e l l as t h e SS% c o n f i d e n c e b e l t , a s s u m i n g a Gauss d i s t r i b u t i o n .
Summer floods (June - July)
The p o p u l a t i o n o f a n n u a l maximum d a i l y d i s c h a r g e s , as m e a s u r e d d u r i n g 1 9 6 3 - 1 9 7 8 , may be r e p r e s e n t e d as f o l l o w s ( s e e F i g u r e 1 0 ) :
LORAM I n t e r n a t i o n a l L i m i t e d /
2 3 . R e t u r n p e r i o d D a i l y d i s c h a r g e Q + c o n f i d e n c e b e l t 5 y e a r s 50 y e a r s 500 y e a r s 25000 + 2500 n?/s " ƒ 32000 + 5000 m ^ / s 38000 + 7500 m-^/s T h i s r e s u l t i s e q u i v a l e n t t o t h e a n a l y s i s as r e p o r t e d by L o r a m / N H C L , 1 9 7 9 .
Pre-release floods (May)
A s u b s t a n t i a l t a c k l e o f t h e r e c u r r e n c e o f r i v e r - i c e j a m s r e q u i r e s d a t a on t h e d i s c h a r g e s j u s t b e f o r e r e l e a s e o f t h e j a m . The p o p u l a t i o n o f t h e a v a i l a b l e d a i l y p r e - r e l e a s e d i s c h a r g e s , h o w e v e r , i s f a r f r o m c o m p l e t e and u n s u i t a b l e t o a n a l y s i s o f e x t r e m e v a l u e s .
C o n s e q u e n t l y , t h e e x t r e m e d i s t r i b u t i o n o f t h e s e p r e - r e l e a s e d i s c h a r g e s has been c o r r e l a t e d t o t h e a v a i l a b l e m o n t h l y mean d i s c h a r g e s o f May.
As c a l c u l a t e d f o r 1 9 7 0 , 1 9 7 2 , 1973 and 1974 t h e mean r a t i o o f t h e d a i l y p r e - r e l e a s e d i s c h a r g e - ' m e a s u r e d ' a t t h e same day as t h e maximum
w a t e r e l e v a t i o n - t o t h e m o n t h l y mean d i s c h a r g e o f May a m o u n t s t o a b o u t I . 3 » The v a l u e s o f p ' r e - r è l e a s e f l o o d s may be p r e d i c t e d by m u l t i p l y i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e m o n t h l y mean d i s c h a r g e o f May w i t h t h i s r a t i o ( s e e F i g u r e 1 1 ) . Some t e n t a t i v e c r i t i c i s m t o t h e p r o c e d u r e p r o p o s e d may be j u s t i f i e d , b u t i n f o l l o w i n g c h a p t e r s i t a p p e a r s t h a t d i s c h a r g e s t h u s c a l c u l a t e d y i e l d n e a r l y t h e r i g h t w a t e r e l e v a t i o n i n an i c e - j a m . ; The mean c h a r a c t e r i s t i c s , i n c l u d i n g t h e 35% c o n f i d e n c e b e l t , o f t h e a n a l y s e d - m o n t h l y mean a n d c a l c u l a t e d p r e - r e l e a s e d i s c h a r g e s a r e :
2l\. R e t u r n p e r i o d D a i l y d i s c h a r g e Q + 9 5 ^ c o n f i d e n c e b e l t R e t u r n p e r i o d m o n t h l y mean p r e - r e l e a s e 5 y e a r s 50 y e a r s 500 y e a r s 14500 + 2500 m^/s 20000 + 5000 m ^ / s 26200 + 7800 m V s I89OO + 2500 ïï?/s 26000 + 5000 m V s 34000 + 7800 m^/s
Belaase floods (May)
D u r i n g t h e r e l e a s e o f a r i v e r - i c e j a m , i n i t i a t e d a t P a t r i c i a I s l a n d , a f l o o d wave w i l l t r a v e l d o w n s t r e a m . The maximum d a i l y d i s c h a r g e s , e s t i m a t e d d u r i n g t h i s p e r i o d , h a v e been l i s t e d i n A p p e n d i x 3 . I t s h o u l d be p o i n t e d o u t t h a t t h e s e d a t a c a n n o t p r o v i d e a s o l i d b a s e f o r d e s i g n r e l e a s e c r i t e r i a o w i n g t o t h e f a c t t h a t t h e y a r e an e s t i m a t e as w e l l as t o t h e f a c t t h a t i t c o n c e r n s a d a i l y a v e r a g e , w h i c h i s n o t a p p r o p r i a t e f o r t h i s t y p e o f f l o o d w a v e . N e v e r t h e l e s s , t h e p r e d i c t e d d i s t r i b u t i o n may be u s e d f o r a r o u g h v e r i f i c a t i o n o f t h e m a t h e m a t i c a l r e s u l t s o f j a m r e l e a s e s , i n i t i a t e d d o w n s t r e a m o f P a t r i c i a I s l a n d . The c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n , as s e e n i n F i g u r e 1 2 , a r e : R e t u r n p e r i o d T r Maximum d a i l y d i s c h a r g e Q + 9 5 ^ c o n f i d e n c e b e l t 5 y e a r s 50 y e a r s 500 y e a r s 28000 + 6000 m^/s 40000 + 12000 n?/s 52C00 + 17500 n?/s As shown t h e 95/o c o n f i d e n c e b e l t o f t h i s p r o p o s e d p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n i s r e l a t i v e l y l a r g e .
'Fre-release water elevations (May)
The maximum m e a s u r e d w a t e r e l e v a t i o n s a t Norman W e l l s , c o n t r o l l e d by t h e i c e j a m m i n g c o n d i t i o n s d o w n s t r e a m , h a v e been l i s t e d i n A p p e n d i x 3
T h i s p o p u l a t i o n i s s t a t i s t i c a l l y h i g h l y n o n - h o m o g e n e o u s , p r o b a b l y c a u s e d by e l e v a t i o n s o f f u l l y d e v e l o p e d and p a r t l y d e v e l o p e d j a m s .
